黑鹰要远去了吗

晨枫

/ E0 O* l8 E" S12月5日，美国陆军宣布：贝尔V-280“勇猛”入选“未来远程攻击飞机” （FLRAA）项目，将用于替代UH-60“黑鹰”直升机。
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从格林纳达作战到现在，UH-60“黑鹰”身经百战
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足迹甚至到达中国，成为西部战区高原使用的重头戏
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; P% ~/ f  r  M1 j/ F中国直-20有明显的“黑鹰”影响
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美国陆军已经决定用V-280替换

4 O: g, r" ]9 B6 @, i7 b8 l“黑鹰”在1979年开始服役，首次投入战斗是在美军干涉格林纳达的“紧急暴怒”作战中。40多年来，“黑鹰”以优良、可靠的性能赢得世界上40多个国家的青睐，中国在80年代订购过一批民版“黑鹰”，直-20也有明显的“黑鹰”影响。
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2019年，美国陆军提出下一代通用直升机的要求，希望在2030年代开始替换届时已经使用50年的“黑鹰”。这不是简单的同质替换，而是要求在速度和航程上有革命性的提高。
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% @% p* j- G" }7 J2 {' U" U) u美国在越南战争中就大量使用直升机，尤其是UH-1“休伊”。新一代的“黑鹰”在速度、航程、运兵能力方面有所提高，但最大的改进是外挂重量和抗战损能力。空降步兵不仅需要深入到敌人火力圈内作战，还需要携带一定的重装备，而不能只是轻步兵。
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但“黑鹰”受到传统直升机布局的本质限制，速度无法大幅度提高，油耗也很难降下来。


$ \1 M  O! |1 }! k$ w* W旋翼前行段和后行段的速度差是限制飞行速度的死穴

  P6 d6 W! W6 v' c旋翼不仅产生升力，也产生推力。旋翼在旋转中，前行段与空气的相对速度高，后行段的相对速度低。旋翼转速越高，前行段和后行段的相对速度差越大。旋翼型直升机的理论速度极端为音速的一半，这时前行段的相对速度可达音速，后行段的相对速度则为零。实际上，还没有达到音速一半时，后行段的相对速度已经低于失速速度了。这两者都是有害的。
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$ m: @( [! m3 X2 _. l6 s9 Q旋翼叶尖速度达到音速的话，激波对旋翼、机体会造成损害，阻力也急剧增加。旋翼失速的话，则要失去一侧升力，直升机就失去平衡了。在实际飞行中，前行段与后行段的相对速度分别要与音速和失速速度之间保持一定的安全裕度，这就限制了直升机的最大速度。

  g3 V1 V6 U* d0 A7 ~很多年来，各种新颖的直升机方案不断浮现，技术突破无不集中在这两个关口上。

1 P1 o  j$ h! }/ U9 ]8 C在FLRAA竞标中，西科斯基SB-1和贝尔V-280进入最后决赛。


西科斯基SB-1采用同轴反转刚性旋翼加推进螺旋桨的复合直升机方案

西科斯基SB-1采用同轴反转刚性旋翼加推进螺旋桨的复合直升机方案。同轴反转自然对消了旋翼的反扭力，不再需要消耗功率、增加阻力但对升力和推力都没有贡献的尾桨。
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刚性旋翼适合高速旋转，可以适当降低旋翼直径，缩小上下旋翼之间的间距。复合直升机则由推进螺旋桨提供推力，不再需要旋翼提供推力。旋翼在高速平飞时，转入准风车状态，只提供升力，不提供推力，大大缓解旋翼前后行相对速度难题。

但速度一高，旋翼的本质振动问题严重，刚性旋翼进一步加剧振动问题。西科斯基方案的最高速度一直受到振动问题的限制，而不是前行速度过高或者后行接近失速。
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. }2 s% N3 U* o  }贝尔V-280采用倾转旋翼，但发动机固定不动
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5 Y: d7 \$ d) N6 G( T贝尔方案采用倾转旋翼，在平飞中好比螺旋桨飞机，由机翼产生升力；在垂直起落中好比直升机，由旋翼产生升力。倾转旋翼从根本上解决了传统直升机的速度和航程问题。贝尔V-22是第一种量产的倾转旋翼直升机，翼尖的旋翼与发动机短舱一起倾转。
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倾转旋翼的理论潜力巨大，但问题多多。首先是发动机安装在翼尖，远离重心，一旦两侧动力不平衡，立刻导致失事，所以两侧发动机都通过同步轴，同时驱动两侧的旋翼，传动和变速机构设计复杂，重量大，可靠性挑战大。沉重的发动机像挑扁担一样，横滚惯量也很大。

在垂直起落状态下，发动机喷口非常接近地面。不仅弄得飞沙走石，造成起降场的人员和设备安全问题，还对地面有严重的烧蚀作用。在混凝土地面使用时，需要铺钢板或者防热毯，在舰上使用也需要防热毯，或者对甲板进行特别的耐热和加强处理。
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& p/ t) h* r6 H9 FV-22由于美国海军陆战队对机翼、旋翼可折叠的硬性要求，翼展和旋翼直径无法优化，所以用增加旋翼转速补偿，结果带来严重的涡流环问题。涡流环好比直升机旋翼在空气中“打滑”，一旦进入这个状态，进一步增加发动机出力只会使得问题恶化。解决的办法很简单：增加旋翼直径，降低转速，但V-22的尺度和折叠要求决定了这不可能。
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% u# r( A8 ^! d  g- G* w: M0 ]7 |第二代倾转旋翼的发动机是固定的，旋翼通过之字形齿轮传动和倾转


" M9 F2 X) H: m: t2 r. ]+ @地面吸沙对发动机不再是大问题，但对倾转和传动机构就难说了

贝尔在V-22的使用经验基础上，推出第二代倾转旋翼。发动机依然在翼尖，但不再转动，而是通过之字形伞齿轮组，将动力传递和旋翼倾转巧妙地一并解决。由于发动机喷口固定向后，喷口对地面、甲板的烧蚀问题也解决了，也不再飞沙走石。发动机不再倾转还避免了在垂直起落阶段发动机短舱遮挡侧向射界的问题，垂直起落是最需要向两侧发挥机上火力、压制敌人的时候。V-22这个问题始终无法解决。

摆脱了美国海军陆战队折叠机翼、折叠旋翼的限制后，V-280的翼展和旋翼直径也可以放手优化，有望摆脱涡流环问题。

: o. R" @, e* I) g+ |但V-280有一个本质缺点：宽度太大。“黑鹰”的旋翼直径为16.36米，V-280不算旋翼，发动机短舱端到端就有24.93米。加上直径10.7米的旋翼，需要宽度30多米的场地才能起降。当然也可以侧过来起降，但在战斗中不是总是可行的。
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% O4 O! V) J. l9 e7 y0 B4 {0 n/ ]V-280还有占地更大的问题
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不仅停放占地方，在狭小场地起降也会有问题

宽度对开阔地的野战无大碍，但在林地或者城镇作战的时候，宽度可能成为是否能垂直起落的关键。与FLRAA同步的“未来攻击-侦察飞机”（FARA）就明确提出宽度要求，所以贝尔根本没用倾转旋翼投标，而是用改进的常规单旋翼方案投标。
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$ a8 U" ~0 V9 }7 ~; ~在实战中，V-280的速度和航程在开阔地作战时很能发挥优势，但城镇、林地、山地等狭窄地形作战至少同样重要，甚至更重要。这些复杂地形恰好是最需要发挥垂直机动优势的场景，但V-280的宽度使得在复杂地形的作战使用受到限制。
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V-280的另一个问题是直升机特有机动能力不足。
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直升机的奥妙都在旋翼上。旋翼不是简单的由主轴驱动的电风扇叶子板，而是在可倾斜滑盘作用下，在旋转的同时，向前下和后上周期性挥舞。所以在机体水平和主轴垂直向上的情况下，旋翼叶尖划动路径形成的桨盘是前倾的。这是旋翼同时产生升力和推力的关键。
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! K1 n* x; u3 u. B7 [+ p3 k可倾斜滑盘不仅可以调节前倾角度以在推力和升力之间合理分配动力输出，还可以侧倾、后倾。因此传统直升机不仅可以前飞，还可以侧飞、倒飞。这对于特别狭窄地形上的非常规机动很重要。传统直升机可以躲在建筑物或者山包后“探头”，利用地形地物隐蔽或者突然跃出接敌；也可以在狭窄的街道上空上不转向就直接后退，在狭路相逢时逃之夭夭。
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周期性的挥舞要求直升机桨叶具有一定的柔韧性，传统直升机桨叶恰好为了延长疲劳寿命，具有这样的柔韧性。
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但倾转旋翼直升机在平飞状态下，桨叶最好是刚性的，以提高推进效率。这与垂直起落状态的柔性要求是矛盾的。作为折衷，V-22的旋翼是半刚性的，V-280也一样。这影响了侧飞、倒飞能力。

* [8 N' r& A! O# @传统单旋翼直升机是单点升力，V-280（和V-22）是两点升力，外挂货物在空中晃动的影响也更加复杂。
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" A- l9 \+ `$ E' k  t倾转旋翼直升机在某种意义上是具有垂直起落能力的螺旋桨运输机，速度和航程比传统直升机大大提高，但也不再适合当作“真正的直升机”使用，在实用中也需要围绕这个定位。
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  e! ?" p8 F0 I$ ~9 `6 M美国海军陆战队MV-22主要用于由海到陆的两栖攻击，直升机特殊机动和狭窄地形上的使用不是主要问题
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& ~7 o% Z+ K7 K: C5 T/ Q7 F美国空军CV-22特别强调速度和航程，其他的可以牺牲一点，在战斗搜救中也尽量避免降落，悬停为主


美国海军的CMV-22是最正宗的可垂直起降运输机，用于航母补给
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美国海军陆战队MV-22的主要任务是由海到陆的攻击。海上没有复杂地形的问题，大规模上陆攻击的海岸也以平坦为主，否则单靠直升机是难以支援大规模两栖作战的。倾转旋翼不适合在复杂地形使用对陆战队不是太大的问题。

/ g2 j- C& V% H9 g/ _* G# @美国空军用CV-22执行战斗搜救任务，速度和航程非常重要，但复杂地形也不是太重要。在一般情况下，CV-22尽可能不降落，直接用索降、吊车等进行搜救作业。
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但陆军不仅有在开阔地上狂飙突进的需求，也有在各种复杂地形作战的需求。单靠V-280很难同时满足这两方面的要求。换句话说，V-280未必能完全替换“黑鹰”。
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通用电气T901要求能对“黑鹰”的T700原位替换，但功率增加50%，油耗降低25%，寿命延长20%

UH-60L是“黑鹰”的后期型，从1989年开始生产，2007年停产。最新的UH-60M从2005年开始生产，也是当前还在生产的主力型号。美国陆军正在用新的通用电气T901涡轴对1300架以上的“黑鹰”后期型号（包括L和M型）升级，在尺寸和重量上不超过现用的通用电气T700涡轴，在安装上能直接互换，但功率增加50%，油耗下降25%，寿命延长20%。通用电气还是继续用简单的单转子结构，通过材料技术和燃烧室优化来深挖潜力，技术功力令人赞叹。

升级后的“黑鹰”速度没有显著增加，但外挂能力和高原、高温性能显著提高，也将毫无疑问地可以继续使用很长时间。与V-280相比，升级“黑鹰”除了成熟可靠、用户熟悉和具有完备的训练、备件体系外，最大的好处是“占地”小，适合在狭窄的林地、山地、街道使用，也擅长直升机特有机动。这依然是空中机动部队不可或缺的能力。
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6 m: i* a. l1 W, A! }: ^! s现在贝尔V-280中标了，但没有近期的生产启动计划，订购数量也不明。美国陆军希望单价控制在4300万美元。相比之下，UH-60L的单价约600万美元，UH-60M上升到1000万美元。很有可能美国陆军最后的选择是V-280和“黑鹰”的某种混搭，就像B-21和B-52的混搭一样。这不是过渡阶段的新旧混搭，而是两种不同特质的飞行平台的功能混搭。

这对中国也有很大的意义。直-20是里程碑式发展，对中国直升机的意义堪比歼-10对中国战斗机的意义。直-20在基本设计理念上无疑借鉴了“黑鹰”很多地方。 V-280的出现并不意味着“黑鹰”过时，而是将直升机的世界扩大了。
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, _) `0 C9 b, P$ ~/ O' B中国也会有与V-280相当的新型直升机的。与此同时，直-20依然有广阔天地。
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. g5 B- q1 N6 k( w9 {有意思的是，FARA的最终竞标者也是在贝尔和西科斯基之间。贝尔360“不屈”基于贝尔525超中型直升机，但别出心裁地增加了一台辅助发动机，用于在地面隐蔽待机时提供电力，或者在野战机场出动时帮助自部署。西科斯基“劫掠者X”则是与西科斯基SB-1一样，采用同轴反转刚性旋翼。
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& ?: d2 o8 X+ A* z% F, u在贝尔赢得FLRAA的情况下，FARA很可能被西科斯基赢得。这一方面这有利于利益均沾，维持美国的直升机工业基础，另一方面“劫掠者X”确实速度更快，比不上倾转旋翼，但压倒传统单旋翼还是绰绰有余的。重要的是，“劫掠者X”不失狭窄空间的运作能力。
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8 C) w" Q' n& h6 G3 `与此同时，“黑鹰”没有远去，但“勇猛”已经到来。

北京阿新

共轴反转刚性旋翼直升机有自己的问题：尺寸超高，如果需要运输机运输得拆掉整个顶部结构。。

看看SB-1和旁边的人身高的对比就有深刻理解了。。。

晨枫

北京阿新 发表于 2023-5-28 18:10
1 P$ F! s! ^  F% p, d! _6 h共轴反转刚性旋翼直升机有自己的问题：尺寸超高，如果需要运输机运输得拆掉整个顶部结构。。
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看看SB-1和旁 ...

是的，这确实是个问题。

mezhan

北京阿新 发表于 2023-5-29 08:10
共轴反转刚性旋翼直升机有自己的问题：尺寸超高，如果需要运输机运输得拆掉整个顶部结构。。

" e" o$ e9 Z. }/ m; D* N看看SB-1和旁 ...

, I" L8 N1 @. f, m7 G; }不用低头哈腰.

蓦然回首

直-20是里程碑式发展，对中国直升机的意义堪比歼-10对中国战斗机的意义。

晨大这个比喻很艺术--总算有能使的了

北京阿新

mezhan 发表于 2023-5-29 09:04
不用低头哈腰.

8 s1 x; h) Y4 Y9 W5 i机身一样低矮，就是头顶上的东西太高了